己口ｌ口年Ｉ己月 第己ｇ卷第１己期ｌ 弹虚拟维修训练系统设计与实现 高玉水周世海郭 英 （装甲兵工程学院 北京１０００７２） 摘要：针对部队对某型导弹维修训练的需求，通过分析导弹系统的信号流程和操作流程，编制了维修仿真数据库，通过制作 装备和维修环境的虚拟样机，实现了维修视景生成，运用基于产生式规则的操作一响应模型技术，研制了炮射导弹系统虚拟 维修训练系统。该系统训练场景、操作动作、状态显示、声光电现象等与实装操作一致，实现了某型导弹虚拟维修训练。已应 用于相关装甲机械化部队的检测维修训练，提高了部队的检测维修训练水平。 关键词：虚拟维修；训练系统；导弹 中图分类号：Ｅ９２３ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｂｏｕｔ ｓｏｍｅ ｍｉｓｓｉｌｅ Ｇａｏ Ｙｕｓｈｕｉ Ｚｈｏｕ Ｓｈｉｈａｉ Ｇｕｏ ｙｉｎｇ （Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｒｍｏｒｅｄ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｏｆ ｓｏｍｅ ｍｉｓｓｉｌｅ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｔｅｐ ｉｓ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｄａｔａ ｂａｓｅ ｄｒａｗｎ ｕｐ．Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｓｔｅｐ ｉｓ ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ｓｃｅｎｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｍａｋ— ｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｃｅｎｅ．Ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｓｔｅｐ ｉｓ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｏｆ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｂｏｕｔ ｓｏｍｅ ｍｉｓｓｉｌｅ ｄｅ— ｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｅ—ａｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｅｒｇｅ ｒｕｌｅｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｘａｃｔｌｙ ａｌｉｋｅ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｃｅｎｅ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓｔａｔｕｓ ｄｉｓｐｌａｙ，ａｐｐｅａｒａｎｃｅ，ｅｔｃ．ａｎｄ ｃａｎ ａｐｐｌｙ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｏｍｅ ａｒｍｏｒｅｄ ｉｎｆａｎｔｒｙ ｆｏｒｃｅ．ａｎｄ ｂｏｏｓｔｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ １ｅｖｅｌ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｂｏｕｔ ｓｏｍｅ ｍｉｓｓｉｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ；Ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；Ｍｉｓｓｉｌｅ ０ 引 言 维修能力，限制了新装备快速生成战斗力。 仅通过实装训练难以达到快速有效地提高部队的维 某型导弹系统是近年装备装甲机械化部队的新型装 修技能，并且也是不经济的，国内外一般采用模拟训练的 备，部队对其维修人才的培养有十分迫切的需求，维修训 方法。随着电子技术、仿真技术和计算机软硬件技术的发 练也就成为军事训练的重点工作内容之一。然而，由于缺 展，训练系统由采用模拟电路仿真技术、数字电路仿真技 乏必要的维修训练技术手段，只能采用传统的实装维修训 术，发展到目前的虚拟现实技术。该虚拟维修训练系统采 练方法：一是进行导弹系统的原理教学，提高维修人员的 用虚拟现实技术，将“人一机一环”制作到计算机中，使维修 理论水平；二是进行常见故障识别与排除的原理性教学； 场景、操作动作、状态显示等与实装一致，维修人员可针对 三是根据实际训练过程中出现的典型故障现象进行分析， 检测过程中随机出现的故障进行故障识别、定位和排除 逐步提高操作人员的检测维修技能。这种实装维修训练 训练。 有２大缺陷：一是新装备出现故障的机率很小，且大多不 会重复出现；二是实装训练存在装备价格高、工作寿命短、 １总体设计思路 训练场地和装备保障要求高等问题。因此，部队维修人员 导弹系统的维修是针对使用前的检测过程中发现的 的实践训练机会很少，致使其培训周期长，无法快速提高 故障进行维护修理，因此该虚拟维修训练系统设计了虚拟 作者简介：高玉水，副教授，研究方向为制导系统仿真与测试。 一６６一 中国科技核心期刊 己口Ｉ口年１己月 第己ｇ卷第１己期 检测训练功能，其故障训练模式主要用于对检测过程中随 对键盘和鼠 机出现的故障进行识别、定位和修理。 责接收用户输入 该训练系统根据训练目标确定训练课目，通过人机交 统将设定的键值 互设备（普通外设、立体眼镜等），接收操作人员的操作动 变量，并在系统初始化时把所有的状态变量赋初值。在仿 作，控制虚拟人的运动和操作，并将维修场景、维修过程通 真循环中如果主线程接收到某项输入操作，在消息响应函 过三维立体成像设备反馈到操作人员，完成维修维修训 数中把与该输入操作对应的状态变量设置新值，记录输入 练。维修训练时，对虚拟检测过程中出现的故障，首先指 操作；辅助线程利用仿真循环监控所有的状态变量，如果 导操作人员按专家经验或推理识别故障，并运用故障树分 该操作产生的某个状态变量的改变符合设定的操作条件， 析法进行故障定位，然后通过接收操作人员的维修动作， 则执行相应处理，并把处理结果进行视景输出。 控制维修训练过程，训练操作人员的维修技能，最后给出 ３虚拟样机设计 维修训练成绩评估，完成相应的维修训练课目。 该训练系统采用了面向Ａｇｅｎｔ的人在回路的过程仿 虚拟样机Ａｇｅｎｔ ＶＰＡ（ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ａｇｅｎｔ）是根 真技术，主要包括：人机交互模块、虚拟样机、仿真控制模 据人机交互模块的输入，在仿真控制模块的控制下实现虚 块、维修训练过程建模。其结构图如图１所示。 拟样机状态的更新。 （实璺 施虚拟戛操 作垫Ｌ） ｛ 仿真控 维修过 维修环境有两个：一是实验室的维修环境，包括维修 间、维修工作台、窗外环境等；二是车场的维修环境，包括 制模块 程模型 ｊ （型数据 过程模 （真数据 维修仿 车场库房、装甲车辆（维修对象）、周围地形地貌等。这些 维修环境为静态型实体，它们的状态不会发生变化。 解析） 读取） （虚拟操作对象）广——一 装备虚拟样机主要包括制导仪、电源变换器和导弹以 及其检测设备、维修仪器仪表和工具的虚拟样机。装备虚 图１过程仿真模型结构 拟样机为反应式实体，其状态可以随环境的变化而做出反 应。对装备的操作不仅会影响被操作实体的状态，而且还 ２人机交互模块设计 会引起相关实体状态的变化，因此将虚拟样机从宏观上分 为两大类：操作部件虚拟样机和响应部件虚拟样机。操作 人机交互ａｇｅｎｔ－ＨＣＩＡ（Ｈｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃ— 部件包括开关、按钮、非受限部件等；响应部件包括指示 ｔｉｏｎ ａｇｅｎｔ）主要负责对操作者的输入进行处理，并以视 灯、数码管、仪表等。 觉、听觉的形式进行反馈。本系统采用了普通人机交互设 本系统中使用建模工具Ｍｕｔｉｇｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ建立虚拟样 备（鼠标、键盘、立体眼镜等），用于进行虚拟人的场景漫 机三维几何实体模型。建立的模型不仅在几何尺寸上与 游、部件模型拾取和部件模型控制。 真实装备一致，而且还使用了纹理、材质与光照、设置虚拟 场景漫游一是位置点的移动，包括前后左右上下的位 实体自由度属性等方法和技术，提高了模型的真实性。为 置点三维移动；二是在固定位置点的旋转运动（将虚拟人 了提高系统的实时性，采用了ＬＯＤ、实例、外部引用和繁 作为一个刚体，其颈部与身体旋转均归结为视线的旋转）， 殖等方法对模型进行了简化。交互特征建模需要完成交 包括绕身体上方向的左右旋转和绕身体右方向的俯仰旋 互类型定义、交互模式选择以及响应算法设计等，为系统 转（不考虑绕身体前向的滚动旋转）。本系统中为操作者 提供人机交互所需的交互信息。操作部件虚拟样机交互 提供了自选７个键或１Ｏ个键的键盘操作方案。 特征定义比较复杂，而响应部件虚拟样机则不需要进行交 部件模型拾取采用了“粗区域判断、最近拾取法”，解 互特征定义，由虚拟样机状态控制模型直接读取基于知识 决了利用普通的二维交互设备进行三维的虚拟空间环境 操作响应模型的输入就可以改变其状态。行为特征建模 训练的问题。主要原理是利用三维图形系统将虚拟实体 实现虚拟样机部件的约束运动，主要包括部件间约束定 经过模型变换、观察变换、投影变换、设备变换、视口变换， 义、约束运动定义和约束运动实现，其任务就是构造出一 输出在显示器屏幕上的一个区域内，若鼠标的二维坐标位 个操作行为与真实装备一致的虚拟样机。虚拟对象之间 于显示屏幕上的这块区域内，则离虚拟人最近的可操作部 及与操作者之间存在复杂的相互作用，且它们的行为必须 件被判定为本次操作的拾取对象，此时鼠标的标志由正常 实时生成，具有较大的随机性，而不是按照特定的程序有 选择的“箭头形”转换为链接选择的“手形”。 计划地进行。 部件模型的运动包括检测设备的开关、按钮、旋钮、波 视景生成是使用Ｖｅｇａ直接建立一个虚拟场景对象 段开关、琴键开关、接插件等操作动作，以及维修时的机箱、 Ｓｃｅｎｅ，在Ｓｃｅｎｅ中加入所建立的虚拟样机模型即构成一 电路板、元器件等的拆装、更换等。对于“０、１”状态的操作 个虚拟环境，但是要在计算机的屏幕上看到这个环境，还 采用鼠标左键点击的方式，对于旋转操作采用鼠标左键左 需要定义观察者、投影变换的类型以及通过定义显示窗口 右拖动的方式，对于移动的操作采用鼠标右键拖动的方式。 的位置实现视口变换，这样虚拟环境中的虚拟实体经过模 中国科技核心期刊 己口Ｉ口年Ｉ己月 第己ｇ卷第１己期ｌ换、设备变换、视口变换，最终就 出来。 操作合法性判断规则主要完成对输入设备操作动作 合法性的判断。由于输入设备操作动作是分层描述的，由 基本动作组合而成。因此对输入设备操作动作合法性的 判断最终落实在对组成该操作的基本动作合法性的判断。 可以方便地实现对虚拟实体的 通过控制ＳＷＩＴＣＨ节点实现状 态切换，如指示灯亮灭等；应用实时性碰撞检测的相交矢 状态合法性判断规则主要完成对被操作虚拟样机名 称和状态合法性的判断。在ＩＰＣＡ中获得被操作虚拟样 机名称及操作后的状态，然后与ＩＴＥＡ中描述的虚拟样机 名称和状态进行比较，如果与过程模型中描述的状态一 致，则认为是实施了正确的操作，否则为不正确操作，需要 进行改正并重新进行操作。 量方法判断虚拟物体是否发生相互碰撞。车场环境的部 分虚拟样机如图２所示。 误操作包括轻微级、一般级和严重级误操作，如在不 满足操作条件下的抢时误操作、在忙乱间产生的可谅解误 操作、因不熟悉操作规程而产生的操作错误、重复的误操 作（故意误操作）。操作延迟反映操作人员的熟练程度，如 无法独立完成任务而向系统寻求帮助的次数、因个人原因 造成的操作延迟时间。 ５仿真数据库设计 图２室外训练场环境的部分虚拟样机 仿真数据库从功能上分为接口层和内部层。接口层 用于处理库与仿真应用程序的数据转换，通过ＶＣ＋＋ ＭＦＣ类库提供的类来实现；内部层实现数据的存储管理， ４仿真控制模块 仿真控制ａｇｅｎｔ ＩＰＣＡ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｇｅｎｔ）是过程仿真模型的核心。ＩＰＣＡ主要包括两类知 识：操作指导型知识和操作控制型知识。ＩＰＣＡ提取操作 采用关系数据库实现，主要包括操作规则库、装备模型数 据库、口令与状态变量对应数据库、误操作类型判别数据 库、误操作跟踪记录数据库等。 操作规则库是将实现操作响应模型的各产生式规则 合并为关系数据库表中的记录，称为操作规则总表。该表 记录了实装系统所有操作步骤对应的操作规则描述，每一 指导型知识将其进行解释后，用于指导操作人员进行训 练。操作控制型知识既要进行操作合法性判断，又要对误 操作和操作延迟进行记录和辨别。 本系统采用基于产生式规则的知识表达方法和正向 操作步骤由若干条与该操作有关的信息记录，如步骤编 码、操作部件、操作部件类别、操作前操作部件的状态、操 作后操作部件的状态、影响部件、影响部件类别、操作前影 响部件的状态、操作后影响部件的状态等。 装备模型数据库是根据系统中各类型部件的操作特 性和响应特性，提取出共同的特征，建立的装备部件信息 表、指示灯类部件和非受限类部件信息表。其初始状态信 息都以记录的形式存储在仿真数据库相应的表中。 口令与状态变量对应数据库是为了实现对口令的处 推理方式实现操作一响应模型设计，产生式规则包括三大 类判断规则：操作合法性判断规则、状态合法性判断规则、 误操作和操作延迟判断规则，其流程图如图３所示。 理机制，建立一个口令显式输出事件和其状态变量的对应 数据库，用于利用状态变量获得相应的口令显式输出 事件。 误操作类型判别数据库、误操作跟踪记录数据库用做 进行误操作行为记录和判别的基础，系统可能对误操作行 为做出的响应等。在误操作和操作延迟指标的基础上，由 成绩评定ａｇｅｎｔ ＩＴＥＡ（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｒａｉｎｅｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｇｅｎｔ）通过设计相应算法实现对受训者操作水平的智能 评估。 ６ 结束语 图３操作一响应模型流程 该虚拟维修训练系统采用虚拟现实技术，将“人一机一 中国科技核心期刊 一６８一 己口Ｉ口年Ｉ己月 第己ｇ卷第１己期 环”制作到计算机中，使维修场景、操作动作、状态显示等 与实装一致，使用人员针对检测过程中随机出现的故障现 象进行故障识别、定位和排除。经新装备轮训学员使用表 明：该系统能够完成炮射导弹、制导装置、电源变换器的检 测维修训练，其维修训练场景及过程形象逼真，便于设置 汉 ［４］ 某 北 ［５］ 苏 计 训练课目，能够替代实装进行检测维修训练，具有实装训 练达不到的功能；该系统规范了检测维修训练的程序和方 法，实现了维修原理和过程的可视化，可显著地提高检测 维修训练效果。 参考文献 Ｅ６３ 王上军，时和平，窦云杰．某装备虚拟维修训练系统设 计与实现［Ｊ］．兵工自动化，２００９（０２８），００９． Ｅ７３ 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